增强“技术教育”意识 挖掘创新教育潜能——谈“把电流表改装成电压表”的课堂教学设计

刘炳昇

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏　南京　210023)



增强“技术教育”意识挖掘创新教育潜能
——谈“把电流表改装成电压表”的课堂教学设计

刘炳昇

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京210023)

名师简介：刘炳昇，南京师范大学物理科学与技术学院教授，课程与教学论博士生导师，任《物理之友》主编、义务教育课程标准初中物理教科书(苏科版)主编、中学科学(7—9年级)国家课程标准研制组核心成员.主要从事物理教学论和中学物理实验的研究工作，荣获国务院特殊贡献津贴、国家教委普通高校优秀教学成果奖等.曾任中国教育学会物理教学专业委员会副理事长、世界银行贷款“理科实践教学和低成本实验”研讨班及“师范教育发展项目”物理教育国家级研讨班中方主持人.

摘要：科学与技术密切相关，对科学、技术、社会关系的认识，对技术的兴趣，对技术的评价，一般的技术设计方法和解决技术问题的思维与行为方式等，都是技术素养的组成部分.现代社会的公民应当具有一定的技术素养，技术教育应当渗透在科学课程中.因此，物理教师应当关注在物理课程中的技术教育问题.本文就“把电流表改装成电压表”的课堂教学来谈谈自己的想法.

关键词：科学与技术的关系；技术教育；电压表的改装

2015年12月25—28日，江苏省基础教育青年教师教学基本功大赛在江苏省南菁高级中学举行，课堂教学竞赛的一个课题是“把电流表改装成电压表”(课型不限).在现行的高中物理教材中，没有这个课题，对参赛的中青年老师是陌生的，大赛中选用它，能更好地考核参赛选手教学设计的思想和方法.提供给选手的资源主要有人教版高中物理教材(甲种本)相关内容的复印件和一定的实验器材，给选手的准备时间是3小时.

多数老师能完成教学任务，教学结构符合教材提供的思路，教学过程流畅，教师语言和调控学生思维的技能较高，总体上知识目标的达成较好，但深层次的教育功能挖掘不够，效果欠佳.

“把电流表改装成电压表”不属于物理学的核心内容，它是串、并联电路和欧姆定律知识应用的课题，也是一个实验技术性质的课题，似乎它不很重要.但从物理科学与技术的关系来看，电流表和电压表的诞生是物理理论的应用成果，同时它也为相关理论的发展及技术应用提供关键技术手段.从技术创新的角度来看，经历电流表、电压表改装的技术设计过程，对学生增进科学与技术关系的认识和培养创新能力具有重要的意义.如果能够看到课题的这些特点，那么相关的教学设计就会站得更高.

多数老师在教材处理上，基本按教材顺序，先介绍小量程电流表的三个参数：满偏电流、表头内电阻、满偏电压；再讲授“半偏法”测表头内电阻的方法和原理，有的辅以演示，有的让学生实验；然后与学生讨论改装电压表的电路设计，再进行实验.有的老师为了让学生“学到手”，在每个阶段间穿插例题和习题，让学生“消化和巩固”所学知识.由于内容多、时间紧，老师讲的多，学生动手少；引导学生思考的小步距的问题多，深层次思考的问题少，学生讨论多流于形式.

笔者从听课中感到，老师们精心地把一点一点的知识教给学生，但忽视了贯穿这些知识的一条红线，似乎缺少灵魂，那就是人们在解决测量电流和电压问题时的创造性，以及由此而升华出的科学与技术的关系.关于技术设计，老师们带领学生逐步解决电压表改装的计算问题，但却忽视了更具普遍意义的技术设计思想，实验中也很少有思维的冲突和发现.下面，笔者侧重于从科学与技术的关系对该课题做一些分析.

1研究电流表、电压表改装的意义

任何的技术发明都离不开所处时代的经济基础和社会需求，它们都是被需求“逼”出来的.在电学中，电流基本规律的发现与电学测量技术的发展密切相关.例如，正是科学家欧姆创造性地设计了“电流扭秤”，解决了测量电流强度的难题，才使他关于电流、电压(当时称为验电力或电动力)、电阻关系的科学猜想得以验证，后人命名为欧姆定律.后来，随着电磁规律的发现，人们设计制作了磁电式电流表和电压表，并解决了扩大量程的问题，使得电流、电压的测量更为方便，提高了测量精确程度.电流、电压基本量测量技术的发展，还使人们深入地认识许多电工器件、电子元器件的特性，为电工技术和电子技术的发展、应用提供了测量手段.如今，我们在学校里学习电路的基本规律，如串联电路中电压分配规律、并联电路中电流分配规律、欧姆定律等，也都离不开电流和电压的测量.在电磁学中，我们将会学习磁电式电流计的原理，而在欧姆定律的教学中，将从电路的角度来研究电流表、电压表的改装问题.

2改装电压表的技术要求

设计发明需要在必要性和可行性论证的基础上进行技术设计，首先需要明确技术设计的要求.

(1) 在测量电压时，我们看到的是指针偏转一定的角度，这个偏转角度必须与电压有函数关系.测量时，电压表中有电流流过，表头指针偏转，待测电阻两端的电压越大，流过电压表中的电流也就越大，偏转角度与待测电压成正比(它的原理将在以后学习).因此，用电压表测量电压时，必须把电压表并联在电路待测电阻两端，而不能串联在电路中(如图1).

图1

(2) 用电压表测量待测电压时，应当不影响原来的电路，即不改变原来的电压.在我们理论学习时，用电流表串联在电路中测量电流，它是把电流表内电阻看成是零，用电压表测量电阻两端电压，它是把电压表内电阻看成是无穷大，也就是把它们看成是理想的电流表和电压表.但是电流表的内电阻不可能为零，电压表的内电阻也不可能为无穷大.若电压表的内电阻为无穷大，那么电压表表头中就不会有电流流过，也就显示不出待测电压的大小了.因此，实际上的电压表的内电阻只能看成是物理上的“无穷大”，也就是它的内电阻比待测电阻要大得多.电压表是由灵敏电流计(小量程电流表)和另一电阻串联组成的，设计电压表时，应当使电压表的等效电阻远大于待测电阻，这样通过电压表电流的影响可以忽略不计.

(3) 测量一定会存在误差.例如估读误差，测量值小时，分度值过大，如用cm分度的直尺去测量mm尺度的长度，读数的相对误差是很大的.因此，电压表要有不同的量程，使测量值在尽可能接近最大值的范围内.为什么要改装电压表？也就是为了适应不同量程测量的需要.通常表头(灵敏电流计)上有两个参数：满偏电流Ig，表头内电阻Rg，知道这两个参数，就可以求得电流为最大值时的满偏电压Ug=IgRg.这个电压与待测电压比是很小的，一般不能用来直接测量.改装电压表就是要确定串联多大的电阻，依靠这个电阻分压，使量程扩大.根据串联电路的分压原理和部分电路欧姆定律，我们可以解决电压表改装的问题.

3用实验的方法改装电压表

技术设计方案初步确定后，需要实践检验，在检验过程中完善方案，因此，实验是伴随着技术发明过程的.作为教学过程中的实验，还需要考虑让学生更多地参与创新发现和解决问题的过程.

现在的偏向是：在中学物理教学中谈到技术，往往只注意可行性而忽略必要性，在理论与实践基础上，往往只注意原理的阐述，忽略实践(实验)，因此把技术教育变成了知识点的教学，把探究过程变成了接受过程.教师们在上这节课时，基本上让学生按已定的思路和步骤进行实验(如图2)，在此过程中很少有发现问题、形成认知冲突的情况发生，失去了许多创新能力培养的机会.

图2

以下提供一种教学思路，供老师们参考.

如果给我们一只灵敏电流表(如满偏电流为100μA)，还有一只量程为3V的标准电压表，另有电阻箱(0—9999Ω)、滑动变阻器(10Ω，2A)、6V直流电源、开关、导线等，如何用实验的方法将电流计改装成3V量程的电压表？

请同学们讨论，画出电路图，再进行实验，最后交流.

在此实验条件中，如不知道电流表的内电阻，能否不先求出电流表的内电阻？

在讨论中学生提出用标准表与改装表比较的替代方法，如图3所示，当标准表指示3V电压时，并联改装表，调节电阻箱阻值使电流表电流满偏，此时电阻箱的读数R0即为3V量程的改装表的串联电阻.

图3

如何获得3V的待测电压呢？有的学生设计了如图4所示的电路，用滑动变阻器限流，以调节输出电压，但实验中无法调节到所需要的电压.实验中出现的问题迫使学生寻找原因，原来是滑动变阻器的阻值相对电压表的内阻太小了.

图4

图5

怎样才能实现有效调节电压的目的？将滑动变阻器与电源接成分压器电路，如图5所示，实际上该电路就是把变阻器的电阻分为两部分与电源串联，并从其中的一个电阻两端输出电压，当滑片移动时，两部分电阻上分配的电压发生改变，从而使输出电压发生改变.将电压表并联在输出电阻的两端，测量的就是输出的电压.采用分压电路的优点可以使输出电压的调节范围很宽，从0变到E，这对改装电压表全量程的校准是有意义的.

用比较替代法可确定改装表串联的附加电阻值，确定了它，电表的量程也就确定了，把表盘刻度改画一下，应该说电表改装就完成了.为什么还要校准刻度呢？因为电表表头生产中存在一定的误差，表头刻度并非理想的线性，因此需要用标准表对改装表进行校准，记录下用标准表测量的一系列数值，作为资料备存.

4用改装表测量电压时发现的一个问题

图6

用改装好的电压表测量电源的开路电压为6V，测量如图6所示电路中(R和R0的阻值都是1000Ω)电阻R两端的电压，再用标准表测量比对，发现两只电压表的读数不相等，且明显小于理论计算值.这是为什么？这是由于实际电压表的内电阻不是无穷大，与待测电阻并联后使合电阻减小，从而使分配的电压减小.这种系统误差是由这种技术设计理论上的局限性所带来的，它将随着测量仪表原理的改变和测量技术的发展而解决.

正像电压表改装的技术一样，所有的技术都不是绝对完美的，它将随科学技术的发展而发展，发明永无止境.

笔者在本文中讨论的问题不一定在一节课中解决，但希望有助于教师从整体上理解这节课的目标要求，增强“技术教育”的意识，挖掘创新教育的潜能，为逐渐提高学生的科学素养起到“添砖加瓦”的作用.

参考文献：

[1] 刘炳昇.为发展学生的个性特长提供更大空间—物理课程中的技术设计活动[J].物理教学探讨，2013，(7).

[2] 刘炳昇.物理课程中技术设计活动的目标及模式要求[J].物理教学探讨，2013，(8).

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